材料力学的应变工程被业界称为“点石成金”术，其重要手段之一就是通过脉冲激光沉积技术，在某种衬底上外延生长另外一种薄膜材料，从而实现由晶胞结构失配带来的外延应变。
国防科技大学理学院研究团队与国内外多所高校和研究机构合作，受“点石成金”术启发，首次在先兆型铁电体钛酸锶氧化物薄膜中实现了应变增强的电卡效应，使体相钛酸锶材料电卡制冷效率提高10倍以上，在居里温度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。该成果日前分别以长文和研究简报形式发表于《Nature Materials》，并被选为封面文章。
制冷技术是人类文明进程中最重要的发明之一，也是现代生产生活中必不可少的技术。近百年来，蒸汽压缩式制冷技术一直占据着空调、冰箱等制冷市场的主体地位。
氢氟烃是蒸汽压缩式制冷技术的核心制冷剂，但其在生产、使用、废弃过程中的泄漏导致了不可逆的臭氧层破坏和温室气体排放。蒸汽压缩制冷系统的能效和制冷功率密度低、体积和噪声大、不利于集成等问题，限制了其在电子、医疗、新能源汽车等领域的应用。
“业界一直在研发新兴制冷技术。电卡制冷具有高效节能、环境友好、快速制冷等诸多优势，是有望取代传统气体压缩技术的制冷方案之一。”论文第一作者兼通讯作者、国防科技大学副教授张森表示，目前如何实现更大的电卡效应、更宽的工作温度等仍具有挑战性。
何为电卡效应？张森解释，它是材料在外加电场作用下电偶极子发生有序、无序的转化，从而产生热力学熵或温度变化的一种效应。“微观世界中的电偶极子就像一群活泼可爱的小朋友，在‘下课’——没有电场时自由活动，有序度低；在‘上课’即有电场时坐在座位上，有序度高。”张森说，这种秩序的高低或混乱程度的高低就是熵，与热量或温度相关联，因此电场的变化带来微观偶极子有序程度的变化，并进一步带来热力学熵或温度的变化，从而实现制热或制冷。
张森介绍，寻找更高电卡效应的新材料或提高现有材料的电卡性能，是未来研发基于电卡制冷新型器件的关键环节。钛酸锶材料是一种被称为“先兆型铁电体”或“量子顺电体”的材料，只在接近绝对零度（-273℃）时才展现出铁电性或电卡制冷效应。那么，如何让钛酸锶发挥更强的电卡效应？
近日，国防科技大学张森、剑桥大学G.G.Guzman-Verri，X. Moya，N.D. Mathur团队针对如何让钛酸锶发挥更强的电卡效应取得最新进展。该文通过使用优化定向的交叉指状表面电极来研究低损耗外延SrTiO3薄膜的外部热效应，该薄膜靠近由DyScO3衬底的双轴平面内相干拉伸应变产生的宽二阶243k铁电相变。在包括室温在内的广泛温度范围内，我们的外在电热效应比块状SrTiO3中的相应效应大一个数量级，并且与一阶跃迁相关的电热效应不同，它们在单极电场中是高度可逆的。此外，如果沿平面内<100>方向设置低温零场极化，则应变SrTiO3薄膜的正则朗道描述是有效的。未来，类似的应变工程可以用于其他薄膜，多层和大块样品，以增加节能冷却的电热材料的范围。研究成果以“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO3 films”为题发表于《Nature Materials》期刊。
研究团队反复验证推敲，最终通过脉冲激光沉积技术在钪酸镝单晶衬底上外延生长出高质量钛酸锶薄膜，使钛酸锶固有的电卡效应在172K至300K温度区间提高10倍以上，在243K附近达到上百倍的增强效应。这意味着原来的体相钛酸锶材料电卡制冷效率被提高了10倍以上，离实际应用更近一步。“我们提出的应变增强方案是一种新思路，可较好地避免漏电、器件击穿损坏等问题，但这也对薄膜生长工艺提出了更高的要求。”张森表示，研究提出的通过外延应变增强钙钛矿氧化物薄膜电卡效应方案，为拓展电卡材料研究体系提供了新思路，也为未来高效节能、环保便捷的新型制冷技术提供了重要参考。
03 图文导读
图1.在DSO (110)o衬底上拉伸STO (001)薄膜。 图3. STO//DSO的表面和截面图像。
图5. STO薄膜的电极化。
图6.应变STO薄膜中的EC效应。
团队的研究成果离应用还有多远？张森说，目前电卡效应在国际上已有部分应用，目标也很明确，就是打造低碳、环保的新型制冷技术。“我们的这项研究成果虽然增强效应强，但钛酸锶本身的效应太弱，最终增强后的电卡效应也不是很高，离实际应用可能还有比较长的距离。乐观估计，或许未来5至10年其有望在红外制冷、芯片原位热管理等领域得到初步应用。”
诺贝尔物理学奖获得者K. Alex Muller称钛酸锶是“固体物理中的果蝇”，很多重要的固体物理现象都是从该材料上发现的，甚至其中还有一些至今尚未被完全理解的现象。
“目前来看，本研究的价值更多体现在给物理以及材料科学带来的启示意义上。我们的研究以钛酸锶为范本，从物理上证明了外延应变是增强现有材料电卡效应的有效方案，可启发更多相关研究工作，从而促进无机电卡效应研究的发展与进步。”张森表示。
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